空气源热泵除霜原理及除霜方式研究

空气源热泵是众多热泵技术中的一种，它以电能为驱动。夏季，以室外空气作为冷源，将冷量由系统输送至室内；冬季，以室外空气为热源，将热量由系统输送至室内。空气源热泵作为一种低位热源其储量丰富，而且与传统的供热方式相比，空气源热泵既可以降低能耗，也可以减少对环境的污染。并且空气源热泵有着既能供热又可以供冷、占用建筑空间小等优点，受到越来越多的地方的青睐。
但是，空气源热泵运行受周围环境的温湿度影响较大，在低温环境下也存在着制热量衰减和结霜的问题。在冬季，空气源热泵对室内进行供热时，如果室外盘管的表面温度低于0℃并且低于室外空气的露点温度，空气源热泵的室外盘管就会结霜。而空气源热泵室外换热器表面的结霜会导致机组运行的可靠性差，结霜对热泵运行主要有两个影响：其一，大量结霜聚集会使蒸发器传热性能减弱，其二，结霜阻碍了室外盘管间的气体流动，风机能量损耗增加。因此，随着室外换热器壁面霜层的增多，室外换热器蒸发温度下降、机组制热量减少、风机性能衰减、输入电流增大、供热性能系数降低，严重时压缩机会停止运行，以致机组不能正常工作。
空气源热泵在低温高湿状态下运行时的结霜和除霜问题已成为制约其高效运行的瓶颈，如何能够有效的延缓空气源热泵结霜和高效快速的实现室外换热器除霜，减小因结霜和除霜过程对热泵机组和室内环境造成的不利影响，是关系到空气源热泵能否更广泛和高效运行的关键问题。因此，研究和有效解决空气源热泵结霜问题，对于推广空气源热泵技术起着至关重要的作用。
一、除霜原理及过程研究
在供热、制冷系统中，结霜是一种非常普遍的现象。当空气中的水蒸气接触到温度低于空气露点温度的表面时，就会发生相变结霜现象。
在成霜初期，独立分散的霜类似于肋片，可以起到强化传热的作用，但随着时间的推移，整个冷表面逐渐被霜所覆盖，形成连续的霜层。作为多孔介质的霜层由于导热系数小，不仅会降低系统的传热性能，增加能耗，严重时甚至会造成系统堵塞，引发非常严重的后果。因此，研究结霜的机理以及发现有效的除霜方法一直是国内外学者研究的重点。
由于空气源热泵冬季采用空气作为热源，所以，随着室外温度的降低其蒸发温度也随之降低，蒸发器表面温度随之下降甚至低于0℃。此时，当室外空气在流经蒸发器被冷却时，其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。
一直以来，国内外学者对结霜过程的研究大多是以实验为基础，到后来才涉及到数值模拟。研究显示，结霜现象发生的可能范围是-12.8℃到5.8℃，室外干球温度t和相对湿度φ是影响热泵结霜的主要因素。当温度和相对湿度达到一定条件后就容易出现结霜现象。KennedyLA做了自然对流条件下竖直壁面的结霜实验，结果表明，霜层形成达到准平衡状态的时间大约需要3h，霜层表面温度接近0℃，其后在0℃上下振荡，并且振荡周期，随着环境相对湿度变化而变化：当相对湿度减小时，震荡周期变长。郝英立采用对自然对流条件下水平表面初始结霜过程实验的研究方法中发现，霜层在初始成长阶段与充分成长阶段有着不同的特点，随着霜层的形成和增长，有效传热系数迅速降低，自然对流传热系数减小，霜层厚度加速率变缓，霜层表面温度逐渐升高。学者姚杨根据Clapcyron-Clausius方程和理想气体状态方程，用理论推导出了计算霜层密度变化的结霜量变化率的公式，同时，考虑了结霜的厚度和密度随时间的变化，为选取有效的除霜控制方法提供了依据。
二、空气源热泵除霜方式的研究
目前，针对空气源热泵除霜的问题，种类方法有许多，本文主要通过逆循环除霜、热气旁通除霜、蓄能除霜以及电加热除霜四种除霜方法的介绍以及对比来探讨空气源热泵的除霜方式的特点。
1、逆循环除霜
空气源热泵除霜系统主要由压缩机、室内机、室外机、节流机构、四通换向阀、气液分离器、蓄能换热器、过滤器、电磁阀等组成。其系统的原理图见图1。
 
逆循环除霜技术中，利用四通换向阀改变制冷剂流向，机组逆向运行，除霜能量来自于压缩机耗功和从室内吸收的热量，使制热状态变为制冷状态，室外机变为冷凝器进行除霜。在除霜期间，压缩机排出的过热状态制冷剂蒸汽被送到室外机盘管进行融霜。当融霜完成后，热泵运行再次逆转，重新开始供热，从而达成除霜的目的。
这种方法不需要附加其它设备，除霜时间短，但是在除霜运行时，需要从建筑物内吸热，降低了室内环境舒适性，换向阀需频繁换向，易磨损且噪音较大，系统参数变化较大，并且在压缩机停止供热后，室内温度降低，对舒适度的影响较大。所以，目前多以实验研究为主。
2、热气旁通除霜
在热气旁通除霜技术中，通过不改变制冷剂流向，使压缩机排出的高温气体通过旁通管路从而直接流向蒸发器进行除霜。运用该种除霜方法时，四通阀不需要进行换向，融霜电磁阀进行开启，关闭风机，压缩机排气经旁通管路至室外机入口进行放热除霜，融霜后的制冷剂通过四通换向阀进入气液分离器，最后被压缩机吸入。提高了室内舒适性，减少了系统压力的变化，并且除霜结束后能立刻进行制热。清华大学石文星等人在一台变频空调器系统中，采用热气旁通除霜的方法，通过对不同阻力的旁通电磁阀除霜进行实验研究，实验结果表明，热气旁通法除霜，可以较大程度地改善室内舒适性，换热器除霜效果和除霜时间与旁通电磁阀的阻力大小有着密切的关系。而且得出实验结论：旁通除霜电磁阀的质量优劣直接关系到除霜时间及除霜效果。采用阻力小的电磁阀可缩短除霜时间；反之，除霜时间增长，耗功增大，且除霜效果不佳。
但是热气旁通除霜的能量还是来自于压缩机，除霜过程能量损耗较大，除霜时间比逆循环要长，而且在除霜过程中会导致压缩机吸气压力升高，排气温度升高，压缩机的工作状态改变，对系统的正常使用不利。
3、蓄能除霜
空气源热泵蓄能除霜是将蓄热技术和除霜技术有机结合的一种新系统。通过在传统的空气源热泵中增设蓄热器，将热泵运行时的部分余热贮存起来，作为热泵除霜的低位热源，解决传统除霜能量主要来源于压缩机问题，从而提高了机组运行的稳定。在蓄能除霜方式，四通阀换向，在系统中增加蓄热装置，此时，蓄能换热器作为蒸发器，除霜时蓄能装置为蒸发器提供能量来化霜。学者胡文举等人的实验研究表明，相变蓄能除霜系统可以有效保证除霜过程中压缩机吸气压力在0.35MPa以上，室外温度一定时，空气湿度的增大会逐渐增加除霜所需能耗和时间；空气相对湿度一定时，除霜能耗和除霜时间会随空气温度的降低先增加后减少，其中，-3℃工况可作为设计相变蓄热器除霜用最不利工况。
相比于传统的空气源热泵除霜的工况，蓄能除霜方式中供水温度稳定，保证了室内的热舒适性，系统的可靠性提高，并且蓄能除霜能够提供相对较好的除霜热源，缩短了除霜时间，而且恢复时间比较短，相比其它方法更有优越性。但除霜效果受蓄热量的影响，如果蓄热量不够则会导致除霜不彻底。
4、电加热除霜
该除霜方式中是在室外换热器表面安装电热丝，利用电热丝通电发热除霜。多用在翅片管式冷风机上。电热元件附在翅片上。化霜时，压缩机和冷风机风扇停止运行，关闭电磁阀，电加热器开始供电加热化霜。化霜结束后，压缩机启动运行，加热继电器停止给电加热器供电，电磁阀打开，制冷剂进入蒸发器。
电加热除霜具有系统简单、除霜完全、实现控制简单的优点，在小型装置上广泛采用，但缺点是耗电多，消耗高品位能源，不宜在大型装置上采用。而且电加热除霜的热量一部分散发到大气中，使得能耗大大增加，而且电热丝的使用寿命有限，存在一定的安全隐患。因此，现在很少使用该方式来进行除霜。
三、结论
在如今经济迅速发展、环境污染严重的年代，空气源热泵凭借着它的特点将会被广泛应用，具有广大的市场前景及应用价值。但是空气源热泵的结霜问题制约着其发展，对于这些问题，需要我们对设计新的换热器形式、寻找合适的除霜热源以及选择合理的除霜点这三个方面来研究空气源热泵的除霜问题，并且对结霜原理以及除霜方法进行研究，提出新的除霜方式，优化机组除霜控制策略。